-
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für eine Armatur der Prozessautomatisierungstechnik.
-
Armaturen wie Hähne, Klappen oder Ventile finden überall dort Verwendung, wo mit verstellbaren Querschnittsverengungen ein Stoffstrom verändert, gedrosselt bzw. abgesperrt werden soll. Häufig werden Armaturen in der Prozesstechnik, im Anlagen- und Maschinenbau sowie in der Haustechnik, hauptsächlich an Rohrleitungen oder Kesseln, eingesetzt. Zum Verändern und/oder zum Steuern von Stoffströmen weisen Armaturen eine Drehachse auf, in der mittels Drehung einer Welle oder Spindel Querschnittsveränderungen bewirkt werden. Häufig werden solche Armaturen, insbesondere in automatisch betriebenen Anlagen, durch einen Stellantrieb betätigt, der durch Stellkraft und Stellweg diese Querschnittsveränderungen herbeiführt. Stellantriebe können pneumatisch, hydraulisch, elektrisch, elektromagnetisch, mit Federkraft gehalten, manuell oder als eine Mischform betrieben werden.
-
In der Prozesstechnik wo Flüssigkeiten, Luft oder Gase zum Einsatz kommen, dienen Armaturen zur Dosierung und Steuerung. In der Regel übernehmen pneumatische oder elektrische Schwenkantriebe die mechanische Stellarbeit der Armatur. Dabei wird entweder der Schwenkantrieb oder die Stellung des drehbaren Absperrorgans (wie beispielsweise eine Ventilklappe, eine Absperrklappe) elektronisch oder sensorisch überwacht. Bei Armaturen die händisch betrieben werden, wie z.B. ein Hahn, ein Kugelhahn, eine Handarmatur oder ein Handventil fehlt meist eine adäquate Drehlagen- bzw. Stellungsüberwachung der Armatur.
-
Armaturen weisen allgemein eine drehende Achse auf, z.B. ein Wellenstummel oder ein Spindelende, mit der ein Absperrkörper angetrieben wird. Um eine Zustandsänderung zu erfassen wird eine relative Bewegung überwacht. Dies kann beispielsweise eine Drehung beim Öffnen bzw. Sperren einer Klappe sein, oder beispielsweise eine Drehbewegung einer Spindel, die den Absperrkörper in eine lineare Bewegung überführt. Dabei kann das Absperrorgan direkt abgefragt, oder indirekt abgefragt werden über eine mit dem Absperrorgan verbundene Spindel oder Welle. Aus dem Öffnungsgrad des Absperrorgans oder der Drehlage der Welle wird dann ein entsprechendes Signal für die jeweilige Stellung ermittelt.
-
Aus der Druckschrift
WO2016/003968 ist ein aufwendiges magnetisch arbeitendes Positionsrückmeldesystem für einen Ventil-Schwenkantrieb bekannt.
-
Weniger aufwendige Positionsrückmeldesysteme arbeiten magnetisch, mit Magnetsensoren, welche den Magnetfeldwinkel auswerten. Sie bestehen in der Regel aus Kunststoff und weisen zwei bewegliche Magnete auf, deren Ausrichtung vom Sensor erkannt wird. Solch bekannte Positionsrückmeldesysteme werden zur Überwachung der Stellung von Schwenkantrieben eingesetzt und von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Beispielsweise sei hier die MVQ-Serie der Anmelderin genannt.
-
Häufig werden bei Positionsrückmeldesystemen auch induktive Doppelsensoren eingesetzt, um die beiden Endpositionen der Ventilklappe zu detektieren. Dabei ist auf der Antriebswelle des Schwenkantriebs ein runder Schaltnocken, auch Puck genannt, montiert. Ein solcher Schaltnocken ist aus der
DE 102017202378 B3 der Anmelderin bekannt. Der Schaltnocken weist zwei um z.B. 90° versetzte metallische Bedämpfungselemente bzw. Schaltfahnen auf, z.B. Metallschrauben, Metallplättchen bzw. metallische Targets. Die Bedämpfungselemente befinden sich auf unterschiedlicher Höhe. Ein kompakter doppelter induktiver Sensor mit zwei übereinanderliegenden Sensorflächen erkennt dann, je nach Ventilstellung, das obere oder das untere Bedämpfungselement, und damit die zwei Endstellungen z.B. 0° für die Schließstellung und z.B. 90° für die Offenstellung der Ventilklappe. Beispielsweise sei hier die IN-Serie oder die AC23-Serie der Anmelderin genannt. Dieses System arbeitet verschleißfrei und sehr sicher auch in rauen Prozess-Umgebungen.
-
Nachteilig hierbei ist, dass für die Abfrage der Endstellung immer ein gesonderter Geber oder ein spezielles Target, wie z.B. ein Puck notwendig ist. Meistens wird der Sensor fest installiert und das Target bewegt sich bei der Betätigung des Ventils mit. Zur Befestigung und Ausrichtung beider Teile (Sensor und Puck) zueinander wird meist ein gesonderter Adapter benötigt. Folglich wird eine Vielzahl an Teilen benötigt, die jeweils zur Armatur bzw. zum Absperrorgan passen müssen.
-
Außerdem werden bei solch einem System meistens nur die Endlagen (offen/geschlossen) oder spezifische Stellungen (bei einstellbaren Targets) abgefragt. Eine Zwischenstellung bzw. eine kontinuierliche Messung über den Stellweg erfordert messtechnisch wie auch mechanisch einen hohen Aufwand.
-
Magnetisch messende Rückmeldesysteme sind weitgehend resistent gegen äußere Einflüsse und unempfindlich gegen mechanische Belastungen wie Vibration und Stoß. Induktiv messende Rückmeldesysteme sind dagegen empfindlicher auf Umgebungseinflüsse.
-
Aufgabe der Erfindung ist es eine Überwachungsvorrichtung für eine Armatur anzugeben, welches mit möglichst geringem Aufwand und einfachem Aufbau ein möglichst gutes, d.h. genaues Ergebnis liefert und besonders einfach an der drehenden, zu überwachenden Achse einer Armatur angeordnet werden kann, welche die Grundstellungen (geschlossen, maximal geöffnet) einer Armatur erfasst und insbesondere auch den genauen Öffnungsgrad einer Zwischenstellung angeben kann.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
-
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin die Drehbewegung beim Betätigen einer Armatur (zum Öffnen/Sperren/Dosieren) über Messwerte eines Winkelsensors, der das Erdmagnetfeld zur Erkennung einer Drehbewegung nutzt, zu erkennen, die Drehbewegung zu erfassen, auszuwerten und Signale an einen Sender zu übertragen. Der Sensor nutzt dabei das Erdmagnetfeld ähnlich zu einem Kompass.
-
Der Sensor arbeitet dabei ausschließlich als Winkelsensor, d.h. das Signal wenigstens eines Sensorelements in dem Sensor ändert sich mit der Richtung des Erdmagnetfeldes, das den Sensor durchströmt. Das Messsignal des Winkelsensors, typischerweise sind das sinus- und cosinus-Signale, die auch immer einen Nulldurchgang haben, ist ausschließlich abhängig vom Winkel des ihn durchströmenden Magnetfeldes, jedoch nicht von dessen Feldstärke. Der Winkelsensor ist daher unempfindlich gegen Schwankungen der Feldstärke des ihn durchströmenden Magnetfeldes. Vorteilhafterweise hat dies wiederum zur Folge, dass das Messergebnis unabhängig von der Temperatur und unabhängig von der Stärke des ihn umgebenden Magnetfeldes ist.
-
Aufgrund der ortsfesten Installation von Rohrleitungsnetzen und den zugehörigen Armaturen variiert das Erdmagnetfeld nicht. Eine Drehung, z.B. öffnen, sperren, dosieren einer Armatur führt dazu, dass ein an ihr angeordneter Sensor eine Richtungsänderung des Erdmagnetfelds erfährt. Durch die Verwendung des Erdmagnetfelds kann auf ein separates Target bzw. auf einen gesonderten Geber, z.B. ein Puck und auf dessen Montage bzw. auf die Ausrichtung zueinander verzichtet werden.
-
Infolge der oben beschriebenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung kann eine bestehende Armatur auch einfach nachgerüstet werden, und dies mit möglichst geringem Aufwand. Dies ist für viele Anwendungen von Vorteil, da je nach Anordnung nicht die fest verbaute Armatur ausgetauscht werden muss, sondern die Armatur einfach um die Überwachungsvorrichtung erweitert werden kann. Dadurch, dass der Winkelsensor nur Winkel und keine Feldstärke misst, ist er unempfindlich gegen äußere Einflüsse, die sich unter besonderen Einbaubedingungen, beispielsweise hohen Temperaturen, oft ergeben.
-
Das Erdmagnetfeld weist in den meisten Teilen der Erde sowohl Inklination als auch Deklination auf. Dadurch funktioniert die Erkennung der Drehbewegung nicht nur in einer Ebene welche parallel zur Erdoberfläche ist, sondern in (fast) allen Montagelagen und Drehrichtungen. Lediglich wenn die Drehachse parallel zum Richtungsvektor des Erdmagnetfeldes liegt ist die Empfindlichkeit gehemmt und es funktioniert die Erkennung nicht einwandfrei. In diesem Fall kann ein Magnet in der Nähe des Sensors angebracht werden, der das Erdmagnetfeld überlagert so dass der Richtungsvektor des resultierenden Magnetfeldes nicht mehr parallel zur Drehachse der Armatur ist.
-
Es wird eine Überwachungsvorrichtung für eine Armatur der Prozessautomatisierungstechnik bestehend aus einem magnetischen Winkelsensor und einem Empfänger beansprucht. Die Armatur weist einen drehbaren Absperrkörper auf und der Winkelsensor ist an der Armatur, beispielsweise an einem Stellhebel, Stellrad oder einer Welle etc. angeordnet und um die Drehachse des Absperrkörpers, welcher z.B. eine Scheibe, ein Drehteller, eine Klappe, ein länglicher Konus, eine Welle oder Kugel mit Loch sein kann, drehbar angeordnet. Beim Betätigen der Armatur erfährt der Absperrkörper eine relative Drehbewegung welche durch mechanische Kopplung z.B. über eine verbundene Welle, Spindel, Getriebe auf den Stellhebel wie auf den magnetischen Winkelsensor wirkt. Der magnetische Winkelsensor weist neben zumindest einer sensorischen Messeinheit eine Übertragungseinheit auf. Die Übertragungseinheit weist Mittel zur Übertragung von Messwerten auf. Der magnetische Winkelsensor weist Mittel zur bidirektionalen Übertragung und Speicherung von Daten auf.
-
Für die Erfindung wesentlich ist, dass der magnetische Winkelsensor für das Erdmagnetfeld empfindlich ist. Der magnetische Winkelsensor eine Drehbewegung gegenüber dem Magnetfeld der Erde detektieren und dem Empfänger einen Wert oder Zustand übermitteln und ausgeben kann. Dabei ist der Absperrkörper mit dem Winkelsensor derart mechanisch verbunden, dass eine Drehbewegung des Absperrkörpers eine entsprechende Drehbewegung des Winkelsensors bewirkt. Mit Wert ist beispielsweise der aktuelle Öffnungsgrad in 0 bis 100 Prozent sowie auch ein interpolierter Wert gemeint, der vom Sensor ermittelt, aufbereitet und entweder über die Übertragungseinheit oder direkt über den Sensor an einen Empfänger ausgegeben wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Übertragungseinheit eine Sendeeinheit, welche den aktuellen Öffnungsgrad in 0 bis 100 Prozent und/oder einen Zustand oder Wert mittels Funkübertragung beispielsweise MIOTY oder NB-loT auf den Empfänger übertragen kann. Mit Zustand ist z.B. der Zustand der Armatur wie offen, halb offen, gesperrt etc. gemeint. Mit Wert ist ein Wert 0 für geschlossen sowie der Wert 100 für offen oder ein Zwischenwert in Form eines fortlaufenden Wertes von 0-100 gemeint. Der Empfänger empfängt die Zustandswerte oder Werte, speichert die Werte ab, gibt die Werte über ein Display aus und/oder stellt sie über eine Schnittstelle (kabelgebunden oder per Funk) z.B. einer übergeordneten Steuereinheit zur Verfügung.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der magnetische Winkelsensor Daten mittels Funkübertragung mit dem Empfänger bidirektional austauschen und auf einem im Winkelsensor integrierten Datenspeicher zwischenspeichern. Dabei wirkt der Empfänger als Funkmodul, der Daten vom Sensor wie auch von der Steuerung empfangen und an den Sensor wie auch an die Steuerung senden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der magnetische Winkelsensor in Flucht zur Drehachse, und damit in Verlängerung bzw. in Wirkrichtung der Drehachse des Absperrkörpers angeordnet, z.B. falls ein Winkelgetriebe die Wirkrichtung ändert. Der Winkelsensor ist dabei in einer Lage zum Erdmagnetfeld fixiert und um die Drehachse des Absperrkörpers drehbar beweglich.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der magnetische Winkelsensor außermittig zur Absperrkörper-Drehachse angeordnet, in einer Lage zum Erdmagnetfeld fixiert, und kreisförmig um die Drehachse des Absperrkörpers in einer Ebene senkrecht zur Drehachse drehbar beweglich.
-
In einer weiteren Ausführungsform tauscht der magnetische Winkelsensor den aktuellen Öffnungsgrad und/oder einen Zustand oder Wert sowie Daten kabelgebunden mit dem Empfänger aus. Über das Kabel ist der Winkelsensor auch mit einer Stromversorgung verbunden. Daten können auf einem internen Datenspeicher des Winkelsensors gespeichert werden.
-
Als Sensorzelle kann aufgrund der sehr einfachen Auswertung auf Sensorzellen aus mobilen Anwendungen zurückgegriffen werden. Diese sind auf eine geringe Energieaufnahme, beispielsweise im Bereich von 2 µA hin optimiert.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der magnetische Winkelsensor batteriebetrieben.
-
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Kommunikation drahtlos über Funk. Vorteile der Funk-Technologie sind, dass keine Leitung benötigt und verlegt werden muss, was positive Effekte z.B. bei der Montage und der Reinigung bewirkt. Des Weiteren wird kein Kabel durch die Drehbewegung beansprucht.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1a eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung für eine Armatur im geöffneten Zustand
- 1b die Armatur gemäß 1a in geschlossenem Zustand
- 2 den Magnetsensor entsprechend 1a bzw. 1b in außermittiger Lage
- 3 eine graphische Darstellung zur Übertragung
- 4 eine schematische Darstellung der Funktionsweise
-
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
-
1a zeigt eine Armatur 1 mit einem erfindungsgemäßen Winkelsensor 2 in Vorderansicht, Seitenansicht und in Draufsicht. Die Armatur 1 weist einen Absperrkörper 11 auf, welcher zur Regulierung des Rohrleiterquerschnitts manuell um eine Drehachse 10 über einen Stellhebel 15 um 90° gedreht werden kann. In Verlängerung bzw. in Flucht zur Drehachse 10 ist an den Stellhebel 15 ein magnetischer Winkelsensor 2 angeordnet welcher sich - beim Betätigen der Armatur (schließen, öffnen) - synchron zum Öffnungsgrad des Absperrkörpers 11, d.h. mit dem Absperrkörper 11 gleichzeitig mit dreht. Wird der Stellhebel 15 der Armatur 1 betätigt und z.B. um 90° geschwenkt dreht sich der Winkelsensor 2 um die Drehachse 10 des Absperrkörpers 11 ebenfalls um 90° mit. Dieser Zustand ist in 1b dargestellt.
-
Der Winkelsensor 2 ist auf dem drehbaren Teil der Armatur 1 montiert. Dabei funktioniert der Winkelsensor 2 ähnlich wie ein Kompass. Der magnetische Winkelsensor 2 wertet den Magnetfeldwinkel in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 10 aus. Das als Pfeilfeld dargestellte konstante Erdmagnetfeld 50 dient dabei als Magnetfeldquelle. Ein separates Target bzw. Bedämpfungselement wie es bei induktiv arbeitenden Positionsrückmeldesystemen Verwendung findet wird hier nicht benötigt.
-
Das hier dargestellte Prinzip kann auch auf andere Armatur-Bauformen übertragen werden und ist nicht nur auf die in 1a gezeigte Absperrklappe beschränkt. Zum Beispiel ist das Prinzip auch auf Hähne, Kugelhähne oder Ventile anwendbar, da diese in gleicher Weise einen, um eine Drehachse 10 drehbaren Absperrkörper 11 aufweisen. Allgemein dienen Armaturen 1 zur Steuerung des Durchflusses eines Fluides oder Gases in einer Rohrleitung. Bei der in 1a gezeigten Bauart einer Armatur 1, einer Absperrklappe, wird durch das drehen eines Absperrkörpers 11, hier eine Scheibe oder Drehteller, der Durchfluss reguliert. 1a zeigt eine Armatur 1 in voll geöffnetem Zustand. Bei voll geöffneter Klappe 11 ist die Scheibe parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Andere Bauarten, wie z.B. Hähne oder Kugelhähne besitzen anstatt einer Scheibe einen quer durchbohrten Zylinder oder einen länglichen Konus, welche zur Strömungsrichtung so angeordnet sind, dass der Durchfluss durch Drehung der Absperrkörper-Achse 10 freigegeben wird oder sich unterbrechen lässt. Beispielsweise besitzen Kugelhähne anstelle des Zylinders bzw. des Konus eine drehbare Kugel mit Durchgang. Bei Ventilen wird beispielsweise durch Drehung einer Spindel ein Absperrkörper 11 axial auf einen entsprechenden Dichtungssitz zu- oder wegbewegt. Damit wird dann der Rohrquerschnitt gesperrt, reguliert oder freigegeben.
-
1b zeigt die Armatur 1 gemäß 1a in geschlossenem Zustand, mit geschlossenem Absperrkörper 11. Der magnetische Winkelsensor 2 ist dabei direkt auf der Drehachse 10 der Armatur 1 montiert.
-
2 zeigt eine Armatur 1 bei der erfindungsgemäß der magnetische Winkelsensor 2, im Unterschied zu 1a, b, außermittig zur Drehachse des Absperrkörpers angeordnet ist. Der Winkelsensor 2 ist an dem Stellhebel 15 außermittig zur Drehachse befestigt.
-
3 zeigt die Datenübertragung der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung in einer graphischen Darstellung. Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung für eine Armatur 1 der Prozessautomatisierungstechnik besteht aus einem magnetische Winkelsensor 2 und einem Empfänger 3. Der Winkelsensor 2 weist eine sensorische Messeinheit 20, eine Übertragungseinheit 30 und einen Datenspeicher 40 auf. Zur Vereinfachung wurde auf die explizite Darstellung einer Logikeinheit verzichtet. Gleichwohl weist der Winkelsensor einen entsprechenden Mikrocontroller auf. Die Übertragungseinheit 30 ist als eine Sendeeinheit ausgebildet. Mit der Messeinheit 20 werden Messwerte sensorisch erfasst. Der Sensor 2 wertet dabei nicht die Feldstärke aus, sondern den Winkel des Erdmagnetfeldes bzw. genauer den Winkel zum Richtungsvektor des Erdmagnetfeldes in eine oder mehrere Raumrichtungen aus. Das Erdmagnetfeld weist in den meisten Teilen der Erde sowohl Inklination als auch Deklination auf. Dadurch funktioniert die Erkennung der Drehbewegung nicht nur in einer Ebene parallel zur Erdoberfläche, sondern in fast allen Montagelagen und Drehrichtungen. Die Messwerte werden im Sensor 2 in einen Öffnungsgrad korreliert und interpoliert. Entsprechende Messwerte können dann als Zustand, Zahlenwert oder als Messwert weitergegeben werden. Mit Hilfe der Übertragungseinheit 30 wird der aktuelle Öffnungsgrad und/oder ein Zustand oder Wert vom Sensor 2 auf den Empfänger 3 übertragen. Unabhängig von dieser Übertragung ist es zudem möglich, dass Daten zwischen dem Empfänger und dem magnetischen Winkelsensor direkt ausgetauscht werden. Der Austausch der Daten zwischen Sensor und Empfänger erfolgt bidirektional. Somit ist es auch möglich, Daten vom Empfänger auf den Sensor zu übertragen, dort zu speichern, und umgekehrt. Folglich ist es auch möglich über den Empfänger mit dem Sensor eine Kommunikation aufzubauen.
-
Die Kommunikation mit dem Sensor und Empfänger sowie die Übertragung von der Übertragungseinheit zum Empfänger kann über Funk, als auch kabelgebunden, erfolgen, oder eine Kombination aus Beidem sein.
-
Ebenso weißt der Empfänger eine Schnittstelle (kabelgebunden oder per Funk) zu einer hier nicht explizit dargestellten übergeordneten Steuereinheit bzw. Steuerung auf. Der Empfänger wirkt dabei als Funkmodul, der Daten des Sensors wie auch von der Steuerung bidirektional empfangen und senden kann.
-
4 zeigt in einer schematischen Darstellung den Austausch und die Übertragung von Werten, Zuständen sowie von Daten einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung zwischen dem magnetischen Winkelsensor 2 und dem Empfänger 3. Die Figur zeigt eine Armatur 1 gemäß 1b mit einem magnetischen Winkelsensor 2, welcher mittels Funkübertragung den Zustand, den Wert oder Daten auf den Empfänger 3 übermittelt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Armatur
- 2
- Winkelsensor
- 3
- Empfänger
- 10
- Drehachse
- 11
- Absperrkörper, Verschlusskörper
- 15
- Stellhebel
- 20
- Messeinheit
- 30
- Übertragungseinheit
- 40
- Datenspeicher
- 50
- Erdmagnetfeld, Magnetfeld der Erde
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2016/003968 [0005]
- DE 102017202378 B3 [0007]
